湖泊沉积物中氮和磷的赋存形态、分布特征和迁移转化行为对于湖泊的生态功能和湖泊富营养化状态具有重要作用,南四湖是我国北方最大的淡水湖泊,作为南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊,其富营养化和生态风险问题时刻威胁着输水水质的安全。本文以南四湖为例,重点研究了南四湖表层沉积物和水体中氮磷赋存形态、分布特征、迁移转化规律和磷的生物有效性。分别采用土壤分析方法和改进后的化学连续提取法研究了不同赋存形态的氮和磷在上覆水和不同沉积物深度(0-50cm)下的分布特征,并分析了氮和磷的不同赋存形态之间的相关性。结果表明,南四湖表层沉积物总氮(TN)含量在373.72～745.86 mg·kg-1之间,以氨态氮(NH4+-N)为主,占总氮的65.3～76.0%,亚硝态氮(NO2--N)含量最低,不足总氮的1%；其中,NO2--N随沉积物深度增加而增加,硝态氮(NO3--N)在各个深度下分布较为稳定,变化不大。而NH4+-N在不同深度下分布特征与TN的分布具有较高的相关性,相关系数达到0.9以上,TN在入湖口处与湖心处含量差异较大,最大差异达到40%以上。表层沉积物中总磷(TP)含量在190.96～799.39 mg·kg-1之间,变化范围较大,总磷含量随这水生动植物的生长过程呈现出周期性的变化。其中,可交换态磷(Ex-P)的主要来源是水生动植物衰亡细胞的降解和一部分钙结合磷Ca-P的转化,其浓度高低与湖泊水生动植物的生长周期联系紧密,含量变化较大,占TP的1.48～18.4%,平均为4.52%。铝结合磷(Al-P)在沉积物中质量浓度的大小与湖泊地质环境和湖泊水体酸碱度有关,并且会缓慢转化为铁结合磷(Fe-P),在南四湖表层沉积物中含量最低,仅占TP的0.4～1.3%。铁结合磷(Fe-P)在TP中所占比例为4.25～49.0%,主要来自湖泊周边生活污水和工业废水的输入,在有氧条件下,Fe3+易与磷结合并形成磷酸盐沉淀,成为沉积物中潜在的磷源。在缺氧条件下,难溶态的Fe(OH)3转化为可溶态的Fe(OH)2,使大量的Fe-P进入湖泊水体中,加速湖泊富营养化。闭蓄态磷(Oc-P)作为一种难以被生物利用的磷,在TP中其所占比例为3.9～26.0%,其质量浓度一方面与湖泊沉积物性质、早期成岩作用等有关,另一方面受动植物残体被土壤微生物等分解、吸收的影响。自生磷(De-P)则来自于一些难溶性的磷酸钙矿化物等湖泊沉积物早期成岩作用的产物,稳定度较高,在TP含量中占10.8～45.3%。钙结合磷(Ca-P)是南四湖沉积物中无机磷的主要赋存形态,占10.0～47.6%,大部分以钙的磷酸盐形式存在,与Fe-P类似,Ca-P也是湖泊沉积物中一个潜在的磷源。有机磷(Or-P)则包括了由生活污水、农业面源污染和工业废水排放带来的难降解性有机磷和来自于水生动植物残体的可降解行有机磷,含量较低,占TP含量的10.0～47.6%。采用静态试验方法研究了氮和磷的吸附释放特性以及温度、pH等环境因子对其吸附释放的影响,试验表明南四湖表层沉积物对氮和磷的吸附过程满足准二级动力学方程,释放动力学曲线则可以用一级动力学方程式描述,同时氮磷的吸附等温线也分别存在较好的线性相关关系。表层沉积物对氮和磷的吸附量随着温度的升高而明显增加,NH4+-N、N03--N在25℃下的吸附量是5℃下的5倍以上；在弱碱性环境下,Ex-P、Al-P和Fe-P等释放量明显高于中性或弱酸性环境；水力扰动对Ca-P、De-P等物理化学性质稳定的磷形态的释放有着促进作用；Or-P和Oc-P的释放受到温度的影响较为显著。当沉积物发生磷的释放作用时,Ex-P、Al-P、Fe-P和Ca-P等活性或具有潜在活性的赋存形态是其释放来源；而当沉积物发生磷的吸附作用时,吸附到沉积物表面的磷多以Ex-P、Al-P和Fe-P形态存在；Oc-P、De-P和Or-P性质稳定,在特定条件下会发生释放作用进入上覆水中或是转化为其他形态的磷附着于沉积物上。由于湖泊沉积物中磷的赋存形态较多,且对淡水湖泊富营养化问题起到主要限制作用,试验着重研究了沉积物中磷的迁移转化规律。试验表明Ex-P在表层沉积物上层多通过扩散作用随沉积物间隙水进入上覆水中,随着深度的增加这种扩散作用明显减弱,在沉积物下层中Ex-P多转化为Al-P、Fe-P甚至Oc-P等形态吸附在沉积物颗粒中。表层沉积物上层Ex-P的释放作用对上覆水TP浓度升高起到积极的促进作用,是沉积物磷进行释放的最主要形态。Fe-P作为表层沉积物中涉及迁移和转化过程最为复杂的磷的赋存形态,对上覆水TP浓度的变化起到至关重要的指示作用,Fe-P不但可以转化为Ex-P和A1-P进行释放,而且可以在一定的环境条件下转化为更加稳定的Oc-P和Ca-P聚集在沉积物中,并且通过自身的氧化还原作用分别起到引起Fe-P进行释放或沉降的不同结果。Ex-P、Al-P、Fe-P和Ca-P都是上覆水有效磷的重要来源。其中,溶解态、弱吸附态的Ex-P、颗粒态的A1-P和吸附态、颗粒态的Fe-P是具有生物有效性的磷形态,可以被水生植物直接利用,而颗粒态的Ca-P则被水生植物或微生物转化或吸收后而具有有效性。随着南四湖外源磷的输入得到控制和削减时,沉积物变成了湖泊磷元素主要的“源”,Ex-P和Fe-P是湖泊沉积物中最主要的生物有效磷,对湖泊上覆水FeO-P含量起着至关重要的影响,对表层沉积物内源磷,尤其是生物有效磷的削减和控制措施是控制湖泊水体营养盐浓度、控制水体富营养化的有效途径。